Jak zmniejszać zużycie energii elektrycznej i mediów w produkcji?

Zwiększenie efektywności energetycznej osiąga się, zmniejszając zapotrzebowanie na energię i/albo skracając czas jej poboru, przy jednoczesnym utrzymaniu niezmiennej produktywności. Można to uzyskać na dwa sposoby: przez doskonalenie istniejących procesów, by ograniczyć marnotrawstwo energii, lub przez zastąpienie używanego sprzętu energooszczędnymi alternatywami, by zmniejszyć pobór energii użytecznej.

Pierwsze podejście jest zorientowane na zarządzanie zużyciem energii. Jego zaletą staje się to, że można uzyskać oszczędności bez konieczności wprowadzania dużych zmian, które zazwyczaj pociągają za sobą spore nakłady finansowe. Można w nim wyróżnić trzy etapy: monitorowanie zużycia energii, ocenianie uzyskanych wyników i na tej podstawie optymalizację zużycia energii.

Zarządzanie energią

Monitorowanie jest niezbędnym krokiem w ocenie potencjału oszczędności. Obejmuje ono ciągłe śledzenie i analizowanie wzorców zużycia w czasie rzeczywistym. Na tej podstawie można uzyskać informację o tym, gdzie pobrano energię oraz w jakiej ilości. W tym celu korzysta się z rozwiązań sprzętowych, czujników i sprzętu sieciowego do transmisji wyników pomiarów oraz z oprogramowania. Łącznie umożliwiają one zautomatyzowane gromadzenie, przetwarzanie i wizualizowanie danych o zużyciu. Przykładami sensorów są liczniki prądu oraz przepływomierze do pomiaru sprężonego powietrza. Często w nowych maszynach mierniki mediów są już wbudowane, a wyniki pomiarów transmituje się do systemu zarządzania energią bezprzewodowo, przez zintegrowane moduły komunikacyjne.

Zużycie energii śledzi się na różnych poziomach, np. całego zakładu, linii technologicznej albo pojedynczych maszyn. Na etapie organizowania systemu zarządzania energią kluczowe jest określenie niezbędnego poziomu szczegółowości. Przykładowo, w przypadku większych maszyn, aby uzyskać miarodajne informacje o efektywności energetycznej całego urządzenia, konieczny bywa niezależny pomiar zużycia energii przez jego oddzielne podsystemy.

Wskaźniki efektywności

Wyniki pomiarów poddaje się analizie łącznie z danymi procesowymi. To pozwala na skorelowanie informacji o poborze energii z obciążeniem sprzętu i wydajnością produkcji. W kolejnym kroku na tej podstawie szacuje się energochłonność poszczególnych odbiorników. To umożliwia wykrycie tych działających nieefektywnie, a po wdrożeniu konkretnych rozwiązań w zakresie optymalizacji zużycia energii – ocenę ich skuteczności. Pomocne są w tym wskaźniki efektywności energetycznej (EPI, Energy Performance Indicators) wprowadzone w normie ISO 50001, która określa wymogi dla systemów zarządzania energią.

Takim jest m.in. energochłonność (energy intensity). Wskaźnik ten określa ilość energii zużywanej na jednostkę produkcji. Im energochłonność niższa, tym wyższa staje się efektywność energetyczna. Na podstawie tego wskaźnika można zidentyfikować energochłonne procesy, a następnie ocenić, czy sprawdziły się wprowadzone rozwiązania, mające na celu ograniczenie zużycia energii. Inne ważne EPI pozwalają na śledzenie: kosztu energii na jednostkę produkcji, emisji gazów cieplarnianych oraz oszczędności finansowych, uzyskanych dzięki wdrożeniu energooszczędnych technologii i praktyk.

Organizacja systemu zarządzania energią stanowi złożone zadanie. Szybszą alternatywą jest audyt efektywności energetycznej, przeprowadzany zazwyczaj przez firmy zewnętrzne.

Unikaj przewymiarowania

Audyt często ujawnia, że wykorzystywany sprzęt został przewymiarowany w stosunku do potrzeb. Wynika to najczęściej z tego, że na etapie jego doboru przyjęto margines parametrów, który w praktyce okazał się zbyt duży, albo że od czasu jego zainstalowania nastąpiła zmiana warunków pracy. Przewymiarowanie wielu urządzeń sumarycznie może prowadzić do dużych strat energii. Im dokładniej ich parametry zostaną więc dopasowane do rzeczywistego obciążenia, tym większe oszczędności da się uzyskać.

Dobór sprzętu o wydajności odpowiedniej do potrzeb powinno poprzedzić dokładne sprawdzenie wymagań operacyjnych, szczególnie profili obciążenia. W zależności od typu urządzenia można je przeprojektować, zmodernizować lub zmienić ustawienia. Jeżeli nie jest to możliwe, konieczna staje się wymiana na sprzęt lepiej dopasowany do specyfiki realizowanego zadania. Gdy problem przewymiarowania dotyczy większej liczby maszyn, ich hurtowa wymiana zazwyczaj nie jest opłacalna. Alternatywę stanowi stopniowe zastępowanie kolejnych urządzeń zgodnie z przyjętym harmonogramem.

Zastąpienie przewymiarowanego sprzętu zwykle przynosi natychmiastowo mierzalne zmniejszenie zużycia energii. Z drugiej strony, trzeba wziąć pod uwagę również to, że margines parametrów założony na etapie dobierania urządzenia mógł być wówczas rzeczywiście czymś uzasadniony. Dlatego przed podjęciem decyzji o jego wymianie kluczowe staje się zestawienie tej nadmiarowości i wynikających z niej strat energii z oszacowaniem, jak prawdopodobne jest to, że możliwości przewymiarowanego zasobu zostaną jednak ostatecznie w pełni wykorzystane, jakie oszczędności zapewni ewentualna wymiana i czy nie wpłynie ona negatywnie na ciągłość i bezpieczeństwo produkcji.

Jak nie przewymiarować silnika?

Przykład urządzeń często przewymiarowanych stanowią silniki. Tradycyjnie, wybierając konkretny model spośród tych zapewniających wymagany moment obrotowy oraz prędkość, jeżeli inercja silnika i obciążenia nie spełniały warunku dopasowania 1:1, dany model zastępowano silnikiem o większej bezwładności. Mimo że rzeczywiście najefektywniej moc silnika jest przekazywana obciążeniu w przypadku dopasowania inercji, równocześnie rośnie wówczas zużycie energii.

Z drugiej strony, im większe jest niedopasowanie bezwładności, tym bardziej odczuwalny staje się wpływ niedoskonałości mechanicznych komponentów układu przenoszenia mocy. Ponieważ nie są one idealnie sztywne, wprowadzają luzy. Skutkuje to rozbieżnościami między informacją zwrotną o parametrach ruchu wału silnika a rzeczywistym przemieszczeniem obciążenia i w konsekwencji niestabilnością. Dawniej, gdy układy regulacji dostrajano ręcznie, było to poważnym problemem. Obecnie jednak, wraz z rozwojem zaawansowanych technik automatycznego strojenia napędów, dopasowanie inercji traci na znaczeniu.

W zamian sprawdza się, czy dany model zapewni wystarczającą prędkość oraz odpowiedni moment obrotowy. W tym celu dla konkretnego obciążenia oraz profilu ruchu trzeba wyznaczyć wymagane wartości średniego oraz maksymalnego momentu obrotowego. Następnie powinno się je porównać z wartościami znamionowego i szczytowego momentu siły w karcie katalogowej silnika. Te ostatnie można również odczytać z charakterystyki momentu obrotowego silnika w funkcji jego prędkości, zazwyczaj dostępnej w dokumentacji.

Na wykresie tym można oprócz tego wyróżnić obszary pracy ciągłej i chwilowej. Jeżeli wymagana kombinacja momentu siły i prędkości wypadnie w obszarze pracy ciągłej, oznacza to, że będzie osiągalna bez obaw np. o przegrzanie silnika w czasie normalnego działania. Gdy jednak wypadnie ona w drugim obszarze, wówczas silnik jest w stanie ją zapewnić tylko przez krótki czas, zanim zacznie się przegrzewać. Można na to pozwolić w czasie rozpędzania i hamowania, jeśli później napęd przez odpowiednio długi czas pozostaje w spoczynku albo pracuje z małym momentem obrotowym. Najlepiej zatem, jeżeli średni wymagany moment siły mieści się w zakresie pracy ciągłej, a maksymalny w zakresie pracy chwilowej. Jeśli z kolei ten drugi wypada w zakresie pracy ciągłej, silnik prawdopodobnie został przewymiarowany.

W przypadku silników cena ich zakupu zazwyczaj stanowi zaledwie 2% całkowitego kosztu. Pozostałe 98% to wydatki ponoszone na energię elektryczną, którą silnik pobiera przez okres eksploatacji. Dlatego znaczące przewymiarowanie szybko przekłada się na wymierne straty, choć z drugiej strony, jeżeli jest niewielkie, zmniejsza zużycie komponentów silnika. Dlatego ostatecznie celem przy doborze silnika powinno być osiągnięcie kompromisu między zużyciem energii a żywotnością. Ważne jest także, by napęd kompletować, pamiętając o tym, że jego poszczególne komponenty mają wpływ na wypadkową efektywność energetyczną.

Silniki energooszczędne

Kolejnym sposobem na poprawę efektywności energetycznej zakładu jest zainstalowanie energooszczędnych silników. W Unii Europejskiej stało się to w przypadku niektórych typów tych maszyn o tyle ułatwione, że już od dłuższego czasu obligatoryjnym warunkiem wprowadzenia ich na rynek jest zagwarantowanie odpowiedniej sprawności energetycznej. Obowiązującym aktem prawnym narzucającym taki obowiązek jest rozporządzenie Komisji Europejskiej w sprawie silników elektrycznych i przemienników częstotliwości 2019/1781, które weszło w życie 1 lipca 2021 r., zastępując rozporządzenie w sprawie ekoprojektu dla silników elektrycznych 640/2009.

Ma ono zastosowanie do silników elektrycznych asynchronicznych bez szczotek, komutatorów, pierścieni ślizgowych i połączeń elektrycznych z wirnikiem, przystosowanych do działania przy napięciu sinusoidalnym o częstotliwości 50, 60 lub 50/60 Hz. W tej kategorii urządzeń dotyczy ono jedynie tych, które mają: dwa, cztery, sześć lub osiem biegunów, napięcie znamionowe powyżej 50 V, ale nie większe niż 1000 V, moc znamionową od 0,12 do 1000 kW włącznie, o parametrach znamionowych określanych na podstawie ciągłej eksploatacji oraz przystosowanych do bezpośredniej eksploatacji w trybie online.

Jeżeli natomiast chodzi o przemienniki częstotliwości, rozporządzenie to obejmuje te z wejściem trójfazowym, które: są przystosowane do pracy z jednym silnikiem, którego dotyczy niniejsza regulacja przy jego mocy znamionowej od 0,12 kW do 1000 kW, mają napięcie znamionowe prądu przemiennego o wartości większej niż 100 V, ale nieprzekraczającej 1 kV, i mają wyłącznie jedno wyjście prądu przemiennego.

Harmonogram zmian

W opisywanym rozporządzeniu przedstawiono harmonogram, zgodnie z którym na przestrzeni lat zmieniały się wymogi odnośnie do sprawności energetycznej silników elektrycznych. Podano w nim dwie daty graniczne.

Pierwszą był 1 lipca 2021 r. Od tego dnia sprawność energetyczna trójfazowych silników indukcyjnych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,75 kW oraz nie większej niż 1000 kW, mających dwa, cztery, sześć albo osiem biegunów, niebędących silnikami budowy wzmocnionej z certyfikatem Ex eb, musi odpowiadać co najmniej poziomowi klasy efektywności IE3. W przypadku z kolei trójfazowych silników indukcyjnych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,12 kW i mniejszej niż 0,75 kW, mających dwa, cztery, sześć albo osiem biegunów, niebędących silnikami budowy wzmocnionej z certyfikatem Ex eb, musi ona być co najmniej na poziomie klasy efektywności IE2.

Mariusz Pacan

WAGO ELWAG

Jakie technologie automatyki najbardziej wspierają optymalizację zużycia energii i mediów?

Wszystkie, które pozwalają osiągnąć założony przez nas skutek produkcyjny, z mniejszym nakładem energii i przy rozsądnej stopie zwrotu z inwestycji. Kluczową rolę odgrywa tu rozproszona automatyka oparta na sterownikach PLC, zintegrowana w jeden spójny system zarządzania, taki jak SCADA/BMS.

Dzięki monitorowaniu mediów, automatyzacji i integracji systemów mamy stały wgląd w procesy i możemy precyzyjnie sterować rozległymi instalacjami, co przekłada się na realne oszczędności. Nasze działania są prowadzone w sposób ciągły i zgodny z normą ISO 50001. Wymierne efekty tych działań to m.in. standaryzacja temperatur chłodzenia hal i biur, która pozwoliła zaoszczędzić 40 MWh rocznie; optymalizacja harmonogramów pracy systemów HVAC – co przełożyło się na 53 MWh rocznie mniej zużytej energii; oraz montaż kompensatorów energii biernej, dzięki którym ograniczyliśmy dodatkowe opłaty o 139 tys. zł rocznie.

Czy w Państwa ofercie znajdują się rozwiązania bezpośrednio wspierające efektywność energetyczną procesów przemysłowych?

W zakładach we Wróblowicach i we Wrocławiu – a także dzięki działaniom techniczno-handlowym WAGO w wielu innych fabrykach w Polsce – wdrażane są takie rozwiązania wspierające realizację naszych celów, jak:

• układy monitoringu mediów energetycznych i procesów – od prostych punktów pomiarowych z licznikami energii po zaawansowane systemy rejestracji i akwizycji danych, np. WAGO Energy Management;
• układy sterowania oświetleniem oparte na technologii DALI – od kompaktowych sterowników CC100 po skalowalne systemy WAGO Lighting Management;
• automatyka instalacji HVAC oparta na rozwiązaniach WAGO;
• system SCADA/BMS WAGO Visu Building;
• układy regulacji telemechaniki i telesterowania WAGO Solar Park Management, które umożliwiają integrację lokalnych odnawialnych źródeł energii z systemem elektroenergetycznym przedsiębiorstwa i operatorem systemu dystrybucyjnego (OSD).

Dwa lata później zaczęły obowiązywać wytyczne dla silników budowy wzmocnionej z certyfikatem Ex eb o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,12 kW oraz nie większej niż 1000 kW, mających dwa, cztery, sześć albo osiem biegunów, i silników jednofazowych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 0,12 kW. Od dnia 1 lipca 2023 r. ich sprawność energetyczna musi odpowiadać co najmniej poziomowi klasy efektywności IE2.

Od tego dnia zaostrzeniu uległy również wytyczne dla trójfazowych silników indukcyjnych o mocy znamionowej nie mniejszej niż 75 kW i nie większej niż 200 kW, mających dwa, cztery, sześć biegunów, niebędących silnikami hamującymi, silnikami budowy wzmocnionej z certyfikatem Ex eb ani innymi silnikami z zabezpieczeniem przeciwwybuchowym. Po 1 lipca 2023 r. ich sprawność energetyczna musi odpowiadać co najmniej poziomowi klasy efektywności IE4. Jeżeli chodzi o przemienniki częstotliwości, od 1 lipca 2021 r. straty mocy modeli przystosowanych do pracy z silnikami o znamionowej mocy wyjściowej nie mniejszej niż 0,12 kW i nie większej niż 1000 kW nie mogą przekraczać maksymalnych strat odpowiadających klasie efektywności IE2.

Wymierne oszczędności

Silniki elektryczne są odbiornikami prawie 50% energii elektrycznej zużywanej na świecie. W przemyśle ich udział wzrasta do dwóch trzecich. Szacuje się, że jeżeli wszystkie silniki elektryczne obecnie eksploatowane w fabrykach zastąpiono by modelami wysokosprawnymi, globalnie zużycie energii elektrycznej mogłoby się zmniejszyć nawet o 10%.

Gdyby w 2009 r. Unia Europejska nie podjęła żadnych działań, zużycie energii elektrycznej przez te maszyny wzrosłoby z 1192 TWh w 2010 r. do 1378 TWh w roku 2020 i 1449 TWh w roku 2030. Dzięki wprowadzeniu rozporządzenia 2019/1781 zmniejszyło się ono o 52 TWh w roku 2020 i według przewidywań spadnie o 106 TWh w 2030 r., co odpowiada poborowi energii elektrycznej w Holandii. Oznacza to, że uda się uniknąć emisji 40 mln ton CO2 rocznie. Energooszczędne silniki mogą też generować oszczędności, od kilku do kilkudziesięciu tysięcy euro w całym okresie eksploatacji, w zależności od ich mocy i sposobu użytkowania. Szacuje się, że dzięki rozporządzeniu 2019/1781 roczne rachunki za energię w gospodarstwach domowych i przemyśle w Unii Europejskiej zmniejszą się o ok. 20 miliardów euro do 2030 r.

Silniki energooszczędne zapewniają natychmiastowe rezultaty pod względem ograniczenia zużycia energii. Typowo inwestycja w ich wymianę może zwrócić się w mniej niż rok. Zazwyczaj daje się je również instalować bez konieczności wprowadzania żadnych większych modyfikacji napędów, których są częścią. To tym bardziej zachęca, by na taki krok się zdecydować.

Przemienniki częstotliwości

Poprawę sprawności energetycznej w silnikach energooszczędnych uzyskuje się dzięki specjalnym rozwiązaniom konstrukcyjnym. Przede wszystkim przeprojektowuje się ich komponenty, głównie zmieniając ich wymiary, wykonuje się je z większą precyzją oraz z materiałów o wyższej jakości i lepszych parametrach. Obejmuje to m.in. zwiększanie ilości materiałów czynnych, zwłaszcza miedzi. Ponadto zwiększa się pole przekroju poprzecznego uzwojeń stojana oraz stosuje grubsze uzwojenia wirnika, dodatkowo zastępując aluminium miedzią.

Do produkcji rdzeni używa się blach o wyższej jakości, które, jak np. stal magnetyczna, charakteryzują się mniejszymi stratami w procesie przemagnesowywania. Oprócz tego instaluje się łożyska o konstrukcji – wymiarach i materiałach, z których zostały wykonane – ograniczającej straty na ciepło w wyniku tarcia. Dodatkowo redukuje się je, stosując specjalne smary. Ponadto instaluje się mniejsze wentylatory oraz projektuje wnętrze silnika tak, by zapewnić jak największy swobodny przepływ powietrza w jego obrębie.

Dalsze zmniejszenie strat energii zapewniają przemienniki częstotliwości zmieniające częstotliwość i napięcie prądu przemiennego zasilającego silnik, dzięki czemu można regulować jego prędkość obrotową oraz moment obrotowy. Opcja dynamicznego dopasowywania tych parametrów do aktualnego zapotrzebowania zapewnia duże oszczędności energii, szczególnie w przypadku takich obciążeń, jak przenośniki, wentylatory, pompy i sprężarki.

Oszczędne hamowanie

Sterowanie pracą silników elektrycznych za pośrednictwem przemienników częstotliwości może zwiększyć sprawność energetyczną napędu nawet o 30%, przynosząc natychmiastowe korzyści finansowe. Czas zwrotu z inwestycji w napęd o zmiennej prędkości w postaci oszczędności energii jest krótki i typowo wynosi 1‒2 lata, w porównaniu z jego przewidywanym okresem eksploatacji. Wysokie ceny energii elektrycznej mogą oczywiście ten okres dodatkowo skrócić. Ponadto, podobnie jak w przypadku przejścia na energooszczędne silniki, wprowadzenie przemiennika częstotliwości nie wymaga zwykle żadnych większych zmian w danym procesie.

Funkcją zwiększającą jeszcze sprawność energetyczną napędu jest dostępna w niektórych modelach przemienników częstotliwości możliwość odzyskiwania energii hamowania. Dzięki temu podczas zatrzymywania maszyny energia hamowania nie jest tracona na ciepło w rezystorach hamujących, ale zostaje efektywnie zagospodarowana. W tym zakresie możliwości są dwie. Energia hamowania jest oddawana z powrotem do sieci zasilającej albo współdzielona z innymi przemiennikami częstotliwości, zasilając podłączone do nich napędy. W obydwu przypadkach można zaoszczędzić znaczące ilości energii.

Elektryczna flota

Kolejnym sposobem na oszczędności jest elektryfikacja floty pojazdów, np. do transportu bliskiego, jak wózki widłowe, i sprzętu ciężkiego, jak koparki. Przemawia za tym to, że sprawność energetyczna silników elektrycznych może sięgać 95%, podczas gdy w przypadku silników Diesla nie przekracza 50%. Czynnikiem sprzyjającym jest też to, że w miarę popularyzowania się samochodów elektrycznych oraz postępu w dziedzinie akumulatorów, zwłaszcza litowo-jonowych, ich ceny spadają, a pojemności rosną. Oprócz tego rozwijana jest technologia ich ładowania, w szczególności pod kątem szybkości.

Mateusz Zajchowski

ASTOR

Jak duże znaczenie w ograniczaniu zużycia energii ma cyfryzacja i wykorzystanie danych procesowych?

Oczywiste wydaje się stwierdzenie, że nie jesteśmy w stanie poprawić tego, czego nie widzimy. Nie inaczej jest w przypadku podnoszenia efektywności energetycznej. Możemy wyobrazić sobie generowanie oraz realizowanie inicjatyw mających pozytywnie wpłynąć na energochłonność procesów przemysłowych bez precyzyjnej wiedzy o tym, ile energii jest aktualnie zużywanej w ramach tych procesów. Podejście takie – zarówno od strony wytypowania inicjatyw do realizacji, jak i oceny ich realnego wpływu – będzie jednak działaniem na ślepo. Fundamentem poprawy energochłonności jest bowiem wiedza o realnym zużyciu energii oraz pracy i wydajności procesów przemysłowych. Cyfryzacja ma w tym kontekście niebagatelne znaczenie, ponieważ technologia może służyć nam do zautomatyzowania procesu odczytu i gromadzenia w jednym miejscu uzyskanych informacji, a narzędzia raportowe pozwolą przekuć zdobyte dane w użyteczne informacje. Na tej bazie mamy szansę podejmować obiektywnie dobre decyzje dotyczące realizacji inicjatyw, które mogą mieć największy, pozytywny wpływ na poprawę efektywności energetycznej.

Z drugiej strony, pojazdy elektryczne są w dalszym ciągu droższe od tradycyjnych modeli. Koszt zakupu rekompensuje jednak to, że ich koszty operacyjne, uśredniając, są niższe nawet o 60% od kosztów eksploatowania pojazdów napędzanych silnikiem Diesla – głównie ze względu na wyższą sprawność energetyczną tych pierwszych i ich mniejsze wymogi konserwacji w związku z mniejszą liczbą części ruchomych i dłuższą żywotnością silników elektrycznych w porównaniu z silnikami spalinowymi. Elektryfikacja np. floty wózków widłowych może przynieść jeszcze kilka innych korzyści.

Elektryczne wózki

Zauważmy przede wszystkim, że elektryczne wózki widłowe nie wytwarzają spalin w trakcie pracy. Dzięki temu jest możliwe zredukowanie emisji CO₂ nawet o kilka ton na jednostkę rocznie. Poza ograniczeniem negatywnego wpływu na środowisko dodatkowo czyni je to preferowanym środkiem transportu bliskiego w pomieszczeniach zamkniętych w takich budynkach, jak magazyny czy centra dystrybucyjne – ponieważ brak emisji spalin oznacza czystsze powietrze, a dzięki temu bezpieczniejsze warunki pracy. Elektryczne wózki widłowe pracują też ciszej niż modele z silnikiem Diesla, a ograniczenie hałasu pozytywnie wpływa na poprawę komfortu w miejscu pracy. Ponadto wózki widłowe bez silników spalinowych wytwarzają mniej ciepła, co zmniejsza koszty chłodzenia magazynu i też poprawia warunki pracy. Poza tym wózki widłowe zasilane akumulatorowo eliminują zagrożenia związane z przechowywaniem paliwa, takie jak ryzyko jego wycieku, zapalenia się oraz konieczność dochowania zgodności z przepisami w tym zakresie. Unika się też ponoszenia bieżących kosztów zakupu i transportu paliwa.

Dzięki licznym zaletom wózków widłowych z napędem elektrycznym popyt na nie dynamicznie rośnie. Aktualnie ich udział w rynku wynosi już prawie 70% (wg Interact Analysis). Jak prognozuje Fairfield Market Research, wartość ich globalnego rynku zwiększy się ponad dwukrotnie: z 60,9 mld dolarów w 2025 r. do 154,1 mld dolarów do roku 2032.

Wymienniki ciepła

Spore oszczędności energii można również uzyskać dzięki wymiennikom ciepła. Pozwalają one na ponowne użycie energii termicznej, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana. Znacząco poprawia to wydajność procesów oraz redukuje zużycie paliwa. W celu zwiększenia efektywności energetycznej wymienniki ciepła są wykorzystywane w kilku zastosowaniach.

Podstawowym jest odzysk ciepła odpadowego. W tym przypadku wymienniki ciepła odzyskują ciepło z procesów przemysłowych i zużywają je ponownie do podgrzania wstępnego płynów, tym samym zmniejszając zapotrzebowanie na dodatkową energię. Przykładem jest wychwytywanie ciepła z gazów wylotowych instalacji grzewczych i wykorzystanie go do wstępnego podgrzewania wody na wejściu kotłów.

Z kolei w systemach chłodzenia wymienniki ciepła zwiększają efektywność energetyczną poprzez optymalizację rozpraszania ciepła. Przykłady to: instalacje wody lodowej w systemach klimatyzacji i chłodnictwa przemysłowego, chłodnie kominowe, odzysk ciepła z obiegu czynnika chłodniczego.

Wymienniki ciepła znajdują także zastosowanie w instalacjach przemysłowych wykorzystujących parę do ogrzewania i w różnych procesach. Poprawiają one efektywność jej użycia przez: odzysk gorącego kondensatu zawracanego do kotłów, zastosowanie pary niskociśnieniowej do ogrzewania wtórnego oraz magazynowanie nadmiaru ciepła do wykorzystania później, co zmniejsza szczytowe zapotrzebowanie na energię. W wielu branżach wymienniki umożliwiają optymalizację zarządzania ciepłem, np. w przetwórstwie spożywczym są wykorzystywane, by zwiększyć efektywność energetyczną procesów pasteryzacji i sterylizacji.

Chcąc zmaksymalizować wydajność wymienników ciepła, trzeba je regularnie konserwować i czyścić. Dzięki temu można zapobiec gromadzeniu się zanieczyszczeń, kamienia i rozwojowi korozji i w ten sposób, przez utrzymanie powierzchni styku płynów o różnych temperaturach w czystości, zapewnić efektywną wymianę ciepła oraz uniknąć spadków ciśnienia i blokad przepływu cieczy, które również pogarszają przepływ energii termicznej. Ważny jest też wybór odpowiedniego typu wymiennika ciepła. Przykładowo, modele płaszczowo-rurowe sprawdzą się w warunkach wysokiego ciśnienia i w wysokich temperaturach, z kolei płytowe są kompaktowe i bardzo wydajne w umiarkowanych temperaturach.

Instalacje użytkowe

Oprócz instalacji procesowych, także te użytkowe są znaczącymi odbiornikami energii w zakładach przemysłowych. Przykładem jest oświetlenie. W dużych magazynach, zwłaszcza tych działających całodobowo, i w halach produkcyjnych, szczególnie w zakładach z pracą zmianową, udział wydatków na oświetlenie w całkowitych kosztach utrzymania może sięgnąć nawet kilkudziesięciu procent. Da się go jednak ograniczyć, wybierając lampy energooszczędne.

Oprócz bezpośrednich oszczędności, jakie zapewnia wymiana np. świetlówek na diody LED, energooszczędne źródła światła mogą się również – w przypadku pomieszczeń o specjalnym przeznaczeniu – pośrednio przełożyć na niższy rachunek za prąd. Przykładem są magazyny-chłodnie, w których oświetlenie stanowi dodatkowe obciążenie termiczne instalacji chłodniczej. Jest ono tym mniejsze, im lampy mniej się nagrzewają w wyniku strat energii zasilającej na ciepło. Podobnie dzieje się w przypadku pomieszczeń, w których dla utrzymania określonej (np. wymogami procesu) stałej temperatury ciągle pracuje klimatyzacja. Silnie nagrzewające się lampy stanowią dla niej dodatkowe obciążenie, przez które rosną koszty jej działania.

Krzysztof Gosławski

F&F Filipowski

Jakie działania służą najlepiej redukcji zużycia energii i mediów w zakładach produkcyjnych?

Można podzielić je na trzy grupy. Pierwsza, jedna z najskuteczniejszych, dotyczy optymalizacji procesów technologicznych – grzewczych i chłodniczych oraz harmonogramów produkcji, jak też popularyzacji technologii energooszczędnych. Druga wiąże się z modernizacją infrastruktury, czyli budynków i instalacji, zwłaszcza oświetlenia i systemów sprężonego powietrza, włącznie z termomodernizacją obiektów. Trzecia to racjonalne zarządzanie mediami i energią, obejmująca także regularne audyty obu dziedzin.

Które obszary w typowych instalacjach przemysłowych generują największe straty energii lub mediów?

W systemach sprężonego powietrza są to nieszczelności w instalacji. Ubytki powietrza w przewodach, złączach i urządzeniach końcowych mogą odpowiadać nawet za 20–30% strat energii. W systemach grzewczych i chłodniczych jest to niewystarczająca izolacja rurociągów, zbiorników, pieców i innych urządzeń. W oświetleniu – niestosowanie automatyki, m.in. odpowiedniej klasy czujników, powodująca niedopasowanie oświetlenia do potrzeb. Wszystkich tych obszarów dotyczy brak monitorowania zużycia energii w czasie rzeczywistym, co uniemożliwia szybkie zidentyfikowanie problemów.

Jakie technologie automatyki najbardziej wspierają optymalizację zużycia energii i mediów?

Najważniejsze są systemy monitorowania i zarządzania energią (EMS), zaś fundamentem zbierania danych z maszyn i instalacji jest rozbudowana sieć czujników i mierników funkcjonująca w ramach Internetu Rzeczy. Wszystko to powinno być spięte predykcją danych i sztuczną inteligencją. Algorytmy uczenia maszynowego analizują dane historyczne i bieżące, aby prognozować zapotrzebowanie na energię, identyfikować źródła strat oraz dostosowywać parametry procesów.

Czy oferujecie rozwiązania bezpośrednio wspierające efektywność energetyczną procesów przemysłowych?

Tak, jest to system Meternet-EnMS, czyli zaawansowane narzędzie, które przekształca surowe dane w działania optymalizacyjne, pozwalające przedsiębiorstwom na stałe redukowanie kosztów operacyjnych, zwiększanie efektywności i zmniejszanie negatywnego wpływu na środowisko. Zapewnia on wsparcie dla certyfikacji ISO 50001, dostarczając dane i narzędzia, wymagane do jej uzyskania i utrzymania. Wspiera też efektywność energetyczną poprzez: kompleksowy monitoring zużycia mediów, zaawansowaną analitykę i predykcję, automatyzację i optymalizację procesów, a także wizualizację i alarmowanie.

Jak duże znaczenie w ograniczaniu zużycia energii mają cyfryzacja i wykorzystanie danych procesowych?

Kolosalne i przyszłościowe. Służą poprawie efektywności energetycznej i działań na rzecz zrównoważonego rozwoju. Można dzięki nim nie tylko śledzić zużycie w czasie rzeczywistym, ale także identyfikować źródła strat, optymalizować procesy oraz podejmować świadome decyzje, co prowadzi do znacznych oszczędności.

Czy rośnie świadomość przedsiębiorstw w zakresie monitorowania i optymalizacji mediów produkcyjnych?

Tak, zdecydowanie. Jest to proces ciągły, napędzany przez kilka kluczowych czynników. Najbardziej bezpośrednim i dotkliwym są dynamicznie rosnące ceny energii elektrycznej, gazu i innych mediów. Po drugie, rozwój technologii Przemysłu 4.0 – takich jak Internet Rzeczy, zaawansowana analityka danych i EMS – sprawił, że monitorowanie i optymalizacja mediów stały się bardziej dostępne i skuteczne niż wcześniej. Systemy takie jak Meternet-EnMS umożliwiają kompleksowe zbieranie i analizowanie danych w czasie rzeczywistym. Rosnące regulacje, zarówno krajowe, jak i unijne, dotyczące efektywności energetycznej oraz redukcji emisji (np. dyrektywa ESG), zmuszają firmy do odpowiedzialnego zarządzania zasobami. Coraz więcej z nich decyduje się na certyfikację ISO 50001, która wymaga regularnego monitoringu i raportowania. Jednocześnie działania na rzecz oszczędności energii i redukcji śladu węglowego budują pozytywny wizerunek firmy w oczach klientów, partnerów biznesowych i inwestorów, stanowiąc element przewagi konkurencyjnej.

Co najczęściej utrudnia wdrażanie działań poprawiających efektywność energetyczną w przemyśle?

Wydawać by się mogło, że największą przeszkodą wdrożeniową są bariery finansowe, takie jak wysoki koszt inwestycyjny oraz długi okres zwrotu z inwestycji. Jednak w tej chwili najczęściej są to przeszkody organizacyjne i zarządcze, a więc brak świadomości i zaangażowania kadry zarządzającej, niedobór wykwalifikowanych kadr oraz naturalny opór przed zmianami.

Dalsze zmniejszenie kosztów zapewniają systemy sterowania oświetleniem przez jego automatyczne wyłączanie w pustych pomieszczeniach – na podstawie sygnałów z czujników obecności albo wówczas, gdy natężenie światła naturalnego przekracza określoną wartość, opierając się na jego pomiarze za pomocą sensorów światła dziennego. Korzysta się też z wyłączników czasowych i ściemniaczy.

Wydatki na oświetlenie można również ograniczyć, zwiększając wykorzystanie dostępnego światła naturalnego, co dodatkowo wpływa pozytywnie na samopoczucie i zdrowie pracowników, a także dbając o regularne i skuteczne czyszczenie oraz konserwację opraw świetlnych.

Monika Jaworowska